微纳尺度微腔激光器及量子效应研究

新颖结构光学微腔在光发射、传播、调控及未来光子集成等领域有十分重要的应用。我们将通过对回音壁模式微腔和光子晶体微腔在内的微纳腔激光器的研究，深入探讨微纳结构光子器件物理特性以及器件研制中的关键科学与技术问题，为进一步深入研究微腔量子电动力学物理现象和光信息处理的光子集成应用奠定基础。研究光学微腔中的自发辐射增强机理、模式简并、偏振、辐射损耗、输出耦合及相关的散射损耗等基本物理机制和光学微腔的设计规律及应用，建立具有自主知识产权的光学微腔设计、优化、仿真平台；突破InP基量子阱材料的微纳加工技术，研制出室温电注入微米尺度量级回音壁微腔激光器，并研究耦合微腔的模式特性及其可能的双稳特性；研究高Q值光子晶体激光器的结构设计，制作工艺及特性测试，研制出光泵浦光子晶体微腔激光器；探索研究InAs量子点光学微腔中激子与微腔模式的量子耦合效应，及其在微腔单光子源方面的应用。

该项目针对回音壁微腔和光子晶体结构和器件的设计、制作和应用问题，深入探索了微腔的模式特性以及金属层和输出波导对微腔模式的调控功能，提出了低辐射损耗的微纳腔激光器的有效设计方案，研究了提高微腔激光器调制速率的有效途径，为半导体微腔激光器在集成光子学回路和光互连等方面的应用以及微纳腔量子效应研究提供了理论和实验基础。取得如下主要成果：系统研究了多边形光学微腔激光器，研制出电注入连续激射的多端输出正方型微腔激光器，以及单横模工作的六边形和八边形微腔激光器。国际杂志Compound Semiconductors以“PICs could benefit from square lasers”为题介绍我们发表的论文；观测到定向输出微腔激光器中模式竞争造成的光双稳特性，并论证这种模式竞争将具有高的转换速度。研究成果入选《激光与光电子学进展》评选的2009’中国光学重要成果；发现输出波导可使圆形微腔发生模式耦合，形成有利于定向输出的高Q耦合模式，连接输出波导实现定向输出有利于光子集成，而且可以避免消逝波耦合所需的精确控制工艺，据此研制出电注入室温连续激射圆形微腔激光器，研究成果入选《激光与光电子学进展》评选的2010’中国光学重要成果；研究确定了波长尺度圆形微腔纵向辐射损耗控制方案，以及利用金属层限制提高模式Q值降低阈值增益的原则，实验研制出三维亚波长尺度的光学微腔；研究发现合适的模式Q值是实现微腔激光器高速直接调制的关键，利用输出波导可以调制模式Q值，研制出小信号调制3dB带宽达到13GHz的圆形微腔激光器；提出并实验验证了一种相位锁定的具有两个超模的环形缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器。利用花瓣孔状结构的垂直腔面发射激光器的渐变折射率分布，研制出远场发散角低达3.2度的垂直腔面发射激光器。项目研究期间，发表SCI论文56篇，包括Appl. Phys. Lett. 4篇、Opt. Lett. 4篇、Opt. Exp. 3篇、IEEE系列刊物13篇等。授权发明专利8项。国际学术会议上邀请报告5次，Post deadline论文1次。培养博士6人、硕士1人，其中四名博士获得中国科学院院长优秀奖。